Welches Gen ist im Ökosystem das Wichtigste?

Mikrobielle Ökosysteme wie biologische Kläranlagen oder der menschliche Magen-Darm-Trakt beherbergen eine nahezu unüberschaubare Vielzahl von Bakterienarten. Wissenschaftler vom Luxembourg Centre for Systems Biomedicine (LCSB) und der Life Science Research Unit (LSRU) der Universität Luxemburg ist es jetzt in Zusammenarbeit mit US-Forschern erstmals gelungen, auf der Basis umfassender Daten zu Bakteriengenetik und Bakterienstoffwechsel die Schlüsselarten solcher Ökosysteme zu bestimmen

Das sind diejenigen Bakterienarten, die in der Funktion solcher Ökosysteme eine zentrale Rolle spielen. Computerberechnungen zeigen, dass es sich dabei nicht um die besonders häufigen Arten handelt. Viel wichtiger sind Bakterien, die zwar in geringerer Zahl vorkommen, bei denen aber einzelne, essentielle Gene – die Forscher sprechen von Schlüsselgenen – in zahlreichen Kopien vorliegen und deshalb überproportional oft abgelesen werden. Die Erkenntnisse des Teams um FNR-ATTRACT-Fellow Prof. Paul Wilmes haben auch medizinische Bedeutung: Geraten Mikroben-Gesellschaften bei Krankheiten aus dem Gleichgewicht, lässt sich durch gezielte Unterstützung der zentralen Bakterienarten unter Umständen ein positiver gesundheitlicher Effekt erzielen. Veröffentlicht wurde die Studie, Comparative integrated omics: identification of key functionalities in microbial community-wide metabolic networks, jetzt in dem neuen Fachjournal der Nature Publishing Group, npj Biofilms and Microbiomes.

Bisher war es für Wissenschaftler schwierig, die Abhängigkeiten zu analysieren, denen Bakterien in einem komplexen Ökosystem wie dem Darm oder eben einer biologischen Kläranlage unterworfen sind. Zumeist bestimmten sie die Organismenzahl solcher Arten, die unter wechselnden Umweltbedingungen gemeinsam auftreten. Eine ähnliche Dichte der Bakterien galt als ein Hinweis auf starke gegenseitige Wechselwirkung. „Mit dem Aufkommen der neuen Omics-Technologien wie Genomics, Transcriptomics oder Proteomics haben sich völlig neue Möglichkeiten ergeben, Ökosysteme zu erforschen“, sagt Paul Wilmes: „Nach Hochdurchsatzanalysen, in denen wir sehr große Datenmengen erfassen, können wir jetzt am Rechner die genetischen und stofflichen Netzwerke rekonstruieren. Mit ihnen lässt sich aufklären, wie sich die Lebewesen gegenseitig beeinflussen. In unserer Studie war uns vor allem wichtig, spezifische Schlüsselgene zu identifizieren, die eine zentrale Rolle im Stoffwechsel der mikrobiellen Gemeinschaften spielen. Diese Gene konnten wir dann bestimmten Schlüsselarten zuordnen.“

Dafür haben Wilmes und sein Team zu unterschiedlichen Jahreszeiten Proben aus Klärbecken entnommen. Anschließend bestimmten sie die Gesamtheit aller Gene, analysierten welche Gene abgelesen werden und verschafften sich einen Überblick über die daraus resultierenden Proteine. „Mit dieser Kombination aus Metagenomics, Metatranscriptomics und Metaproteomics konnten wir rechnergestützt das Stoffwechsel-Netzwerk der gesamten Lebensgemeinschaft rekonstruieren“, sagt Dr. Anna Heintz-Buschart, LCSB-Wissenschaftlerin und Erstautorin der Publikation: „Es verrät uns, welche Stoffe von der Lebensgemeinschaft grundsätzlich produziert werden können, welche Gene in mehreren Kopien in verschiedenen Bakterienarten vorkommen und in welchen Mengen bestimmte Proteine gebildet werden.“

Mit diesem Wissen haben die Forscher dann die Schlüsselarten identifiziert: „Sie erfüllen eine essentielle Funktion im Ökosystem“, erläutert Paul Wilmes: „ Viele andere Arten sind auf ihre Stoffwechselprodukte angewiesen. Wenn sie ausfallen, hat das dramatische Folgen für das ganze Ökosystem. Unterstützt man aber die Schlüsselarten, stabilisiert sich die Lebensgemeinschaft.“

Die medizinische Bedeutung der neuen Erkenntnisse erläutert LCSB-Direktor Prof. Dr. Rudi Balling: „Wir nehmen an, dass Krankheiten wie etwa Parkinson eine Ursache darin haben könnten, dass die Zusammensetzung mikrobieller Lebensgemeinschaften im menschlichen Körper gestört ist. Mit dem Wissen über die Schlüsselarten können wir die molekularen Ursachen in Zukunft genauer unter die Lupe nehmen – und Maßnahmen erforschen, um das ökologische Gleichgewicht beispielsweise im Darm wieder herzustellen.“

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